CN114088976A - 一种梳齿间隙可调式mems加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，包括：衬底层，所述衬底层上设有器件层，所述器件层上设有正检测单元和负检测单元，所述正检测单元和负检测单元内设有多个梳齿间隙调节装置，所述正检测单元和负检测单元相对设置，所述正检测单元和负检测单元之间设有可动质量块，所述可动质量块上设有正力平衡单元和负力平衡单元，所述正力平衡单元和负力平衡单元平行设置；本发明通过梳齿间隙可调式MEMS加速度计的创新设计，可实现补偿由于工艺制造导致的结构间隙偏差、失配、加工一致性差等问题，从而保证了器件设计指标的零偏移，增强了器件指标的稳定性、一致性，同时提升了装置的灵敏度和分辨率，优化了MEMS加速度计的性能。

Description

一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计

技术领域

本发明涉及MEMS加速度计技术领域，具体涉及一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计。

背景技术

MEMS加速度计是用于检测加速度的装置，是MEMS惯性传感器的代表之一，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学等多种学科与技术，是当前国内外的研究热点，此外因MEMS加速度计具有高稳定性、高灵敏度以及高分辨率等优点，其在工业控制、无人机、惯性导航、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

随着MEMS制造技术的发展，当前MEMS加速度计的制造水平已显著提高，但目前传感结构的加工过程仍然普遍面临结构过刻蚀严重、间隙加工偏差大，工艺一致性差等一系列制造问题，使得MEMS加速度计结构失配，导致器件关键指标偏离设计值，一致性差，灵敏度降低、分辨率变差等，成为了影响器件性能提高的关键瓶颈之一，这严重限制了MEMS加速度计的应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计,通过控制固定梳齿与可动梳齿的间隙，一方面保证器件设计指标的零偏移，另一方面有有利于提高器件的灵敏度及分辨率，提高器件的综合精度，同时降低梳齿间的静电吸引力，增强器件结构的稳定性。

本发明采用下述的技术方案：

一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计方法，包括衬底层，所述衬底层上设有器件层，所述器件层上设有正检测单元和负检测单元，所述正检测单元和负检测单元相对设置，所述正检测单元和负检测单元之间设有可动质量块，所述可动质量块上设有正力平衡单元和负力平衡单元，所述正力平衡单元和负力平衡单元平行设置；通过正检测单元和负检测单元与可动质量块之间梳齿对间隙的设计，进行灵活的修正和调节。

进一步的，所述负检测单元结构与正检测单元结构相同，所述正检测单元内设有多个梳齿间隙调节装置，所述正检测单元还包括第一固定锚点、正检测电极，所述梳齿间隙调节装置一端连接第一固定锚点，另一端连接正检测电极，所述正检测电极另一端设有正固定检测梳齿，所述可动质量块上连接正可动检测梳齿，所述正固定检测梳齿和正可动检测梳齿相互配合；负检测单元结构与正检测单元的结构相同，相对设置，负检测单元的检测电极为负检测电极。

进一步的，所述梳齿间隙调节装置包括梳齿间隙调节梁、十字连杆、间隙调节施力梳齿对，所述梳齿间隙调节梁两端与第一固定锚点连接，所述梳齿间隙调节梁中心位置处与十字连杆头部相连，所述十字连杆尾部与正检测电极结构相连，所述十字连杆的横杆两端均连接间隙调节施力梳齿对，所述两端间隙调节施力梳齿对分别连接正梳齿间隙调节施力电极、负梳齿间隙调节施力电极；可通过调节正、负梳齿间隙调节施力电极的电压大小，驱动梳齿间隙调节梁和十字连杆移动，进而调节固定检测梳齿的位置，补偿工艺制造中导致的误差，恢复固定检测梳齿与可动检测梳齿之间间隙的原始设计值。

进一步的，所述可动质量块通过弹性连接装置连接在衬底层；可动质量块通过弹性连接装置悬浮于所述衬底层。

进一步的，所述正力平衡单元结构与负力平衡单元结构相同，正力平衡单元包括正力平衡电极、第二固定锚点，所述正力平衡电极连接第二固定锚点固定，正力平衡电极和可动质量块之间设有力平衡梳齿对。

进一步的，所述器件层材料为硅。

进一步的，所述衬底层材料为硅。

进一步的，所述衬底层材料为玻璃。

本发明的有益效果是：

1、可实现固定梳齿与可动梳齿之间原始设计间隙值的恢复，补偿由于工艺制造导致的结构间隙偏差、失配、加工一致性差等问题，从而保证了器件设计指标的零偏移，增强了器件指标的稳定性、一致性；

2、可灵活调整固定梳齿与可动梳齿间的间隙大小，从而实现更进一步地提高器件的灵敏度及分辨率，提高器件的综合精度；

3、可降低梳齿间的静电吸引力，防止结构出现静电吸合现象，从而增强了器件结构的稳定性；

4、本发明采用了差分检测，闭环控制方式，器件的噪声小，线性度好；

5、本发明结构简单，工艺易加工，可批量制造，芯片尺寸小，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明正检测单元结构示意图；

图3为本发明梳齿间隙调节装置结构示意图；

图4为本发明间隙调节施力梳齿对结构示意图；

图中：

1-衬底层、2-器件层、3-正检测单元、4-负检测单元、5-可动质量块、6-正力平衡单元、7-负力平衡单元、8-梳齿间隙调节装置、9-第一固定锚点、10-正检测电极、11-正固定检测梳齿、12-正可动检测梳齿、13-梳齿间隙调节梁、14-十字连杆、15-间隙调节施力梳齿对、16-正梳齿间隙调节施力电极、17-负梳齿间隙调节施力电极、18-弹性连接装置、19-正力平衡电极、20-第二固定锚点、21-力平衡梳齿对。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，本发明提供一种技术方案：一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，包括衬底层1，所述衬底层1上设有器件层2，器件层2为硅，衬底层1为硅或玻璃，所述器件层2上设有正检测单元3和负检测单元4，所述正检测单元3和负检测单元4相对设置，且负检测单元4结构与正检测单元3结构相同，所述正检测单元3和负检测单元4之间设有可动质量块5。

所述正检测单元内设有多个梳齿间隙调节装置8，所述正检测单元3还包括第一固定锚点9、正检测电极10，所述梳齿间隙调节装置8一端连接第一固定锚点9，另一端连接正检测电极10，所述正检测电极10另一端设有正固定检测梳齿11，可动质量块5上连接正可动检测梳齿12，正固定检测梳齿11和正可动检测梳齿12相互配合。

所述梳齿间隙调节装置8包括梳齿间隙调节梁13、十字连杆14、间隙调节施力梳齿对15，所述梳齿间隙调节梁13两端与第一固定锚点9连接，所述梳齿间隙调节梁13中心位置处与十字连杆14头部相连，所述十字连杆14尾部与正检测电极10结构相连，所述十字连杆14的横杆两端均连接间隙调节施力梳齿对15，所述两端间隙调节施力梳齿对15分别连接正梳齿间隙调节施力电极16、负梳齿间隙调节施力电极17。

所述可动质量块5通过弹性连接装置18悬浮于衬底层1，可动质量块5上设有正力平衡单元6和负力平衡单元7，所述正力平衡单元6和负力平衡单元7平行设置，所述正力平衡单元6与负力平衡单元7结构相同，正力平衡单元6包括正力平衡电极19、第二固定锚点20，所述正力平衡电极19连接第二固定锚点20固定，正力平衡电极19和可动质量块5之间设有力平衡梳齿对21。

当MEMS加速度计的梳齿间隙调节装置8为非工作状态时，此时正、负梳齿间隙调节施力电极16、17电压为零，即MEMS加速度计结构不存在加工制造误差，不存在结构失配，当MEMS加速度计受到敏感轴向的加速度时，可动质量块在惯性力的作用下发生微小位移，即偏离结构机械零位，此时正检测单元3的正固定检测梳齿11与正可动检测梳齿12之间的间隙发生改变，负检测单元4发生相同变化，因此引起检测电极间的电容变化，通过接口电路可以读出该电容的变化值，从而得到加速度的大小，并通过正力平衡单元6和负力平衡单元7平衡惯性力，将可动质量块5恢复到机械零位，实现加速度的闭环检测，本发明采用差分电容检测，消除了绝大部分的干扰噪声，极大地提高了信噪比，利用闭环控制，使器件线性度好。

当MEMS加速度计结构存在加工制造误差，导致结构出现间隙偏差、失配时，即MEMS加速度计可动质量块5偏离了结构的设计零位，即机械零位，此时可使用MEMS加速度计的梳齿间隙调节装置8，通过设置正、负梳齿间隙调节施力电极16、17电压的大小，使梳齿间隙调节装置8产生合适的静电合力，通过十字连杆14驱使梳齿间隙调节梁13、正检测电极10发生微位移，进而使与正检测电极10相连的正固定检测梳齿11位置发生微改变，负检测单元4发生相同改变，从而补偿由于工艺制造误差导致的可动质量块5结构偏离设计零位的变化值，即恢复了固定检测梳齿与可动检测梳齿之间间隙的原始设计值，从而保证了器件设计指标的零偏移，增强了器件指标的稳定性、器件的一致性。

设梳齿间隙调节装置8中，加载在正梳齿间隙调节施力电极16和负梳齿间隙调节施力电极17的电压分别为V_DC+V_AC、V_DC-V_AC，间隙调节施力梳齿对15的厚度为H（器件层厚度），间隙为d₀，共N对，则梳齿间隙调节装置产生的静电合力为：

式中，ε为真空介电常数，无量纲；N为间隙调节施力梳齿对15对数，单位为对；H为间隙调节施力梳齿对15的厚度（器件层厚度），单位为μm；V_DC为直流电压、V_AC为交流电压，单位均为伏特；d₀为间隙调节施力梳齿对15的两个梳齿间的间隙距离，单位为μm；

此时通过MEMS加速度计梳齿间隙调节装置8使梳齿间隙调节梁13产生的微位移为：

式中，x为MEMS加速度计梳齿间隙调节装置8调节的固定检测梳齿位置的微改变量，单位为μm，K为梳齿间隙调节梁的刚度，单位为N/m；

x是补偿由于工艺制造误差导致的可动质量块结构偏离设计零位的变化值。

通过控制正、负梳齿间隙调节施力电极16、17电压的大小以及正负值，进而调节值的大小和微位移方向，在器件稳定工作前提下，调节固定检测梳齿与可动检测梳齿之间的初始间隙大小，可以提高器件的灵敏度及分辨率（将固定检测梳齿与可动检测梳齿之间的初始间隙调小），进而提高器件的综合精度。

同时为防止结构出现静电吸合现象，通过将固定检测梳齿与可动检测梳齿之间的初始间隙调大，可降低梳齿间的静电吸引力，从而增强器件的结构稳定性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，其特征在于，包括：衬底层（1），所述衬底层（1）上设有器件层（2），所述器件层（2）上设有正检测单元（3）和负检测单元（4），所述正检测单元（3）和负检测单元（4）相对设置，所述正检测单元（3）和负检测单元（4）之间设有可动质量块（5），所述可动质量块（5）上设有正力平衡单元（6）和负力平衡单元（7），所述正力平衡单元（6）和负力平衡单元（7）平行设置。

2.根据权利要求1所述的一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，其特征在于，所述负检测单元（4）结构与正检测单元（3）结构相同，所述正检测单元内设有多个梳齿间隙调节装置（8），所述正检测单元（3）还包括第一固定锚点（9）、正检测电极（10），所述梳齿间隙调节装置（8）一端连接第一固定锚点（9），另一端连接正检测电极（10），所述正检测电极（10）另一端设有正固定检测梳齿（11），所述可动质量块（5）上连接正可动检测梳齿（12），所述正固定检测梳齿（11）和正可动检测梳齿（12）相互配合。

3.根据权利要求2所述的一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，其特征在于，所述梳齿间隙调节装置（8）包括梳齿间隙调节梁（13）、十字连杆（14）、间隙调节施力梳齿对（15），所述梳齿间隙调节梁（13）两端与第一固定锚点（9）连接，所述梳齿间隙调节梁（13）中心位置处与十字连杆（14）头部相连，所述十字连杆（14）尾部与正检测电极（10）结构相连，所述十字连杆（14）的横杆两端均连接间隙调节施力梳齿对（15），所述两端间隙调节施力梳齿对（15）分别连接正梳齿间隙调节施力电极（16）、负梳齿间隙调节施力电极（17）。

4.根据权利要求2所述的一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，其特征在于，所述可动质量块（5）通过弹性连接装置（18）连接在衬底层（1）。

5.根据权利要求4所述的一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，其特征在于，所述正力平衡单元（6）结构与负力平衡单元（7）结构相同，正力平衡单元（6）包括正力平衡电极（19）、第二固定锚点（20），所述正力平衡电极（19）连接第二固定锚点（20）固定，正力平衡电极（19）和可动质量块（5）之间设有力平衡梳齿对（21）。

6.根据权利要求4所述的一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，其特征在于，所述器件层（2）材料为硅。

7.根据权利要求4所述的一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，其特征在于，所述衬底层（1）材料为硅。

8.根据权利要求4所述的一种梳齿间隙可调式MEMS加速度计，其特征在于，所述衬底层（1）材料为玻璃。

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